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香港理工大學(xué)頂刊綜述：基于粉末的金屬增材制造中的多尺度缺陷！

2022-04-13 11:45:00 作者：材料科學(xué)與工程來(lái)源：材料科學(xué)與工程分享至：

缺陷，是金屬增材制造的一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。為獲得理想及合格的產(chǎn)品質(zhì)量和力學(xué)性能，應(yīng)全面了解各種缺陷的形成機(jī)制、對(duì)力學(xué)性能的影響及其相應(yīng)的控制和緩解方法三個(gè)重要問(wèn)題。最近，有一些關(guān)于金屬增材制造工藝和由此產(chǎn)生的缺陷的綜述工作，然而，大多數(shù)相關(guān)綜述在上述關(guān)于缺陷的三個(gè)問(wèn)題方面存在不足。因此，目前對(duì)金屬增材制造缺陷的形成機(jī)理、影響及控制方法等三個(gè)重要問(wèn)題的認(rèn)識(shí)應(yīng)予更新。

近日，來(lái)自香港理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和香港中文大學(xué)的傅銘旺教授等人提出了粉末基增材制造金屬和合金中多尺度缺陷的分類，闡明了各種缺陷形成的潛在機(jī)制。討論了原材料、幾何設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)或/和系統(tǒng)設(shè)置方面的關(guān)鍵因素的影響。總結(jié)了多尺度缺陷的破壞性和非破壞性檢測(cè)方法。為了預(yù)測(cè)和進(jìn)一步了解缺陷的形成，簡(jiǎn)要介紹了多尺度缺陷建模的當(dāng)前進(jìn)展。總結(jié)和討論了每種缺陷對(duì)增材制造部件的拉伸性能和疲勞性能的影響。從材料、幾何控制、工藝參數(shù)的原位操縱、后處理或合金設(shè)計(jì)和混合增材制造技術(shù)等方面闡述了每種缺陷的控制和緩解方法。最后討論了有關(guān)多尺度缺陷的最新研究空白，并基于所描述的多尺度缺陷的三個(gè)方面提供了未來(lái)展望。該綜述論文以題為“Multi-scale defects in powder-based additively manufactured metals and alloys”發(fā)表在材料頂刊《Journal of Materials Science & Technology》（2020年影響因子：8.067，中科院一區(qū)）。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.02.015

簡(jiǎn)而言之，幾何相關(guān)缺陷主要包括由宏觀殘余應(yīng)力引起的部件變形和分層，而與表面完整性相關(guān)的缺陷則是由于階梯效應(yīng)、粉末部分熔化、球化效應(yīng)和表面開(kāi)裂而形成的。對(duì)于微觀結(jié)構(gòu)缺陷，第一種形式是內(nèi)部裂紋，分為與液膜形成相關(guān)的熱裂紋和，以及與材料脆性和殘余應(yīng)力相關(guān)的固態(tài)裂紋。二是內(nèi)部氣孔，包括不完全熔化孔洞、冶金孔、鎖孔和縮孔，一般由不適當(dāng)或不穩(wěn)定的熔融引起。另一種是由外延生長(zhǎng)和晶粒競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)的耦合作用形成的織構(gòu)柱狀晶粒。最后，成分缺陷包括氧化、合金元素?fù)p失和微偏析，位錯(cuò)胞是由增材制造過(guò)程中的熱膨脹和收縮形成的。

缺陷的存在通常對(duì)增材制造零件的機(jī)械性能有害。宏觀殘余應(yīng)力、表面缺陷和內(nèi)部氣孔和裂紋會(huì)降低材料的強(qiáng)度和延展性。疲勞性能也可能受到影響，因?yàn)檫@些缺陷可能會(huì)促進(jìn)疲勞裂紋擴(kuò)展并降低疲勞壽命。織構(gòu)柱狀晶粒會(huì)導(dǎo)致機(jī)械性能的嚴(yán)重各向異性，包括屈服強(qiáng)度和延展性、疲勞壽命和疲勞裂紋擴(kuò)展速率。特別是，微偏析的缺陷可能因原材料而異。一方面，微偏析會(huì)導(dǎo)致脆性相，例如鎳基高溫合金中的 Laves 相和 NiTi 合金中的 Ti2Ni 相，從而導(dǎo)致不良性能。另一方面，在一些AMed FCC材料中，以微偏析和位錯(cuò)為特征的胞狀結(jié)構(gòu)可以高度強(qiáng)化材料并提高延展性。

在了解缺陷形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了各種控制方法。對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行深入優(yōu)化，可以獲得無(wú)裂紋和無(wú)孔的 AMed 零件。還采用包括熱處理或/和HIP在內(nèi)的后處理來(lái)消除殘余應(yīng)力并修復(fù)內(nèi)部孔隙和裂縫。然而，這兩種方法在減輕紋理柱狀晶粒等缺陷方面的能力有限。后熱處理甚至不可避免地導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的粗化。還介紹了其他一些新穎的控制方法。添加適當(dāng)?shù)募{米顆粒可以細(xì)化晶粒結(jié)構(gòu)并減少微裂紋和微偏析。將其他加工技術(shù)與增材制造（主要是 DED）相結(jié)合的混合方法也可用于減少殘余應(yīng)力、細(xì)化晶粒和緩解微偏析。

圖 1. 粉末基增材制造金屬和合金中多尺度缺陷的分類。

圖 2. （a–c）與幾何形狀有關(guān)的典型缺陷，包括變形和分層；（d）由微尺度LPBF和常規(guī)LPBF制造的懸臂變形（e）殘余應(yīng)力與SLM Ti6Al4V掃描長(zhǎng)度的函數(shù)（f）打印零件的幾何誤差與特征厚度的函數(shù)。

圖 3. LPBF中的階梯效應(yīng)（a）基于表面的晶格和（b）基于支柱的晶格；（c）LPBFed SS316L的（c）頂部表面和（d）側(cè)表面的質(zhì)量（e） LPBF中的單軌形態(tài)作為掃描速度的函數(shù)；（f）金屬AM期間飛濺的液滴示意圖；表面裂紋（g）和晶體結(jié)構(gòu)（h）在SLMed CM247LC高溫合金的邊界。

圖 4. 典型的熱裂紋：（a，b）凝固裂紋顯示不規(guī)則的樹枝狀形態(tài)（c，d）無(wú)樹突特征的液化裂紋；（e，f）凝固裂紋和（g，h）液化裂紋區(qū)域的形貌和晶粒取向差；（i-k）LPBFed AA7075合金的單道，顯示出不同的熔池形狀和熱裂紋敏感性。

圖 5. 典型的固態(tài)裂紋（a–c）LPBFed CM247LC合金中的固態(tài)裂紋顯示出直而尖銳的扭結(jié)； DED Inconel 738合金中DDC型固態(tài)裂紋的形貌：（d，e）三重結(jié)點(diǎn)處的DDC和（f）液化裂紋末端的DDC。

圖 6. 典型的內(nèi)孔：（a）LoF孔隙和冶金孔隙；（b）鎖孔孔和（c）收縮孔；（d）DED工藝中孔隙形成機(jī)理的示意圖。

圖 7. 典型的柱狀顆粒，沿BD具有<100>織構(gòu)（a）LBPFed SS316L（b）鉻鎳鐵合金718 和（c）AlSi10Mg （d）熔池形狀示意圖和由此產(chǎn)生的晶粒生長(zhǎng)方向；（e）凝固微觀結(jié)構(gòu)示意圖，作為溫度梯度和生長(zhǎng)速率的函數(shù)。